خواص آلیاژهای منیزیم، روی، تیتانیوم و آلومینیوم

به عنوان سنگ بنای صنعت مدرن، تغییرات عملکرد مواد فلزی به طور مستقیم بر انتخاب آنها برای کاربردهای خاص تأثیر می گذارد. آلیاژهای منیزیم، روی، تیتانیوم و آلومینیوم-چهار ماده فلزی سبک وزن اصلی-تفاوت قابل توجهی در معیارهای هسته مانند چگالی، استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و کارایی دارند.

I. مقایسه خواص فیزیکی اساسی

1. چگالی و استحکام خاص

آلیاژهای منیزیم، با چگالی 1.7-1.9 گرم بر سانتی‌متر مربع، سبک‌ترین فلزات ساختاری هستند. استحکام ویژه آنها (قدرت / چگالی) به 150-250 مگاپاسکال / (g / cm³) می رسد که به طور قابل توجهی از آلیاژهای آلومینیوم (80-120 MPa / (g / cm³)) بیشتر است. به عنوان مثال، آلیاژ منیزیم AZ91D استحکام کششی 280 مگاپاسکال را حفظ می کند در حالی که وزن آن تنها 68 درصد از آلیاژ آلومینیوم 6061 است. اگرچه آلیاژهای تیتانیوم چگالی بالاتری دارند (4.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب)، اما استحکام ویژه آن‌ها همچنان از 300 مگاپاسکال در هر سانتی‌متر مکعب فراتر می‌رود و به کاهش وزن 30 درصدی در تیغه‌های موتورهای هوافضا دست می‌یابد.

آلیاژهای روی دارای چگالی بالا 6.6-7.2 g/cm³ با استحکام ویژه 40-60 MPa/(g/cm³) هستند. با این حال، وزن مخصوص بالای آن‌ها، قالب‌گیری دنده‌ای دقیق را تا ضخامت 0.5 میلی‌متر در قالب‌های-ریخته‌گری- ممکن می‌سازد، شاهکاری که با آلیاژهای آلومینیوم (که به ضخامت دیواره 1.2 میلی‌متر نیاز دارد) دست نیافتنی است.

2. حرارتی{1}}خواص فیزیکی

هدایت حرارتی آلیاژ منیزیم (156 W/(m·K)) 23 برابر آلیاژ تیتانیوم (6.7 W/(m·K)) است. در ماژول‌های خنک‌کننده لپ‌تاپ، پوشش‌های آلیاژ منیزیم می‌توانند دمای CPU را 8 تا 10 درجه کاهش دهند. آلیاژ آلومینیوم رسانایی حرارتی بالایی دارد (237 W/(m·K))، اما مزیت سبک وزن آلیاژ منیزیم تسلط آن را در مدیریت حرارتی دستگاه تلفن همراه تضمین می کند.

آلیاژ تیتانیوم 80 درصد استحکام دمای اتاق را در 500 درجه حفظ می‌کند، در حالی که آلیاژ آلومینیوم در دمای 200 درجه، 40 درصد استحکام خود را از دست می‌دهد. این تفاوت در مقاومت حرارتی آلیاژ تیتانیوم را به ماده انتخابی برای محفظه‌های احتراق موتور هواپیما تبدیل می‌کند، در حالی که آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً در اجزای ساختاری دمای محیط استفاده می‌شوند.

II. خواص شیمیایی و مقاومت در برابر خوردگی

1. رفتار اکسیداسیون

منیزیم به سرعت یک لایه MgO با ضخامت 0.5-1μm در هوا تشکیل می دهد، اما این لایه متخلخل و شکننده است و در مدت 24 ساعت در محلول NaCl 3.5 درصد خوردگی حفره ای نشان می دهد. فناوری اکسیداسیون میکرو{5}}قوسی می‌تواند پوشش سرامیکی با ضخامت ۲۰ میکرومتر{7}}روی سطوح منیزیمی ایجاد کند و مقاومت در برابر خوردگی را ده برابر افزایش دهد.

فیلم Al2O3 (3{1}}5 نانومتر) که به طور طبیعی شکل گرفته است روی سطوح آلیاژ آلومینیوم دارای خواص خود ترمیم شوندگی است و عمر مفید بیش از ده سال را در محیط های دریایی حفظ می کند. آلیاژ آلومینیوم آنودایز 6061 به ضخامت پوشش 25 میکرومتر دست می یابد، با مقاومت در برابر پاشش نمک بیش از 2000 ساعت.

فیلم TiO2 (2{3}}10 نانومتر) که بر روی سطوح آلیاژ تیتانیوم تشکیل شده است، خواص غیرفعال سازی کاملی را نشان می دهد، حتی در محیط های بسیار خورنده مانند aqua regia و اسید سولفوریک غلیظ پایدار باقی می ماند. نرخ خوردگی تیتانیوم خالص صنعتی در آب دریا فقط 0.001 میلی‌متر در هر ساعت است که یک بیستم فولاد ضد زنگ 316 لیتری است.

2. خوردگی الکتروشیمیایی

آلیاژهای روی در محیط های مرطوب مستعد خوردگی بین دانه ای هستند. هنگامی که عناصر ناخالصی (Pb, Cd) از محتوای 0.005٪ تجاوز کنند، نرخ خوردگی سه برابر افزایش می یابد. افزودن 0.1% منیزیم یک فاز روی{4}}Mg را تشکیل می دهد که به طور قابل توجهی خوردگی الکتروشیمیایی را مهار می کند.

آلیاژهای منیزیم دارای پتانسیل الکترود استاندارد (2.37- ولت) نسبت به آلیاژهای آلومینیوم (-1.66 ولت) در الکترولیت ها هستند که منجر به خوردگی گالوانیکی در رابط های منیزیم/آلومینیوم می شود. اجرای پوشش های عایق یا محافظت از آند قربانی می تواند نرخ خوردگی کمتر از 0.1 میلی متر در ساعت را کنترل کند.

III. ماشینکاری و سازگاری با فرآیند

1. خواص ریخته گری

آلیاژهای منیزیم دارای نقطه ذوب (650 درجه) 10 درجه کمتر از آلیاژهای آلومینیوم (660 درجه) هستند، در عین حال ویسکوزیته کمتر، سیالیت برتر و قابلیت پر شدن بهتر را نشان می دهند. در تولید ریخته‌گری، قالب‌های آلیاژ منیزیم به طول عمر 200000 چرخه، دو برابر آلیاژهای آلومینیوم، می‌رسند.

آلیاژهای روی دارای کمترین نقطه ذوب (385 درجه) هستند که امکان تولید مداوم را از طریق ماشین‌های ریخته‌گری گرم-محفظه‌ای- فراهم می‌کنند. این باعث افزایش 40 درصدی راندمان تولید در مقایسه با ریخته‌گری-محفظه‌ای- سرد آلیاژ آلومینیوم می‌شود. با این حال، آلیاژهای روی نرخ انقباض بالاتری (0.6٪) نسبت به آلیاژهای منیزیم (0.5٪) نشان می دهند که نیاز به طراحی قالب دقیق تر دارد.

2. پردازش تغییر شکل

آلیاژهای آلومینیوم می توانند بیش از 90٪ تغییر شکل را از طریق فرآیندهایی مانند نورد و اکستروژن به دست آورند، با آلیاژ آلومینیوم 6061 در شرایط T6 که به مقاومت تسلیم 290 مگاپاسکال می رسد. با این حال، آلیاژهای منیزیم به دلیل ساختار کریستالی بسته شش ضلعی (HCP) خود، قابلیت تغییر شکل پلاستیک ضعیفی را در دمای اتاق از خود نشان می دهند. این امر نیاز به استفاده از اکستروژن زاویه مساوی (ECAP) برای دستیابی به ساختار دانه بسیار ریز دارد و ازدیاد طول را از 8٪ به 25٪ افزایش می دهد.

آلیاژهای تیتانیوم نرخ سخت کاری فوق‌العاده بالایی را نشان می‌دهند (n=0.4)، با نیروهای برشی 1.5 برابر فولاد. آهنگری در دمای بالا (900-1000 درجه) ریزساختارهای فازی را ایجاد می‌کند، اگرچه این امر مصرف انرژی تجهیزات را 30% افزایش می‌دهد. آلیاژهای جدید -نوع تیتانیوم (مثلاً Ti-5553) شکل پذیری اتاق{15}}را تا 50 درصد از طریق محتوای عناصر تثبیت کننده کنترل شده افزایش می دهند.

IV. تجزیه و تحلیل سناریوهای کاربردی معمولی

1. بخش هوافضا

آلیاژهای تیتانیوم 41 درصد از ساختار جت جنگنده F-22 را تشکیل می دهند. تیرهای ارابه فرود آن، ساخته شده از آلیاژ TC4، عملکرد پایدار را در دماهای بین -55 درجه تا 600 درجه حفظ می کند. آلیاژ منیزیم AZ31B به کاهش وزن 40 درصدی در پایه‌های ماهواره‌ای دست می‌یابد، اگرچه برای برآورده کردن شرایط مقاومت در برابر خوردگی محیط فضایی به آبکاری نیکل نیاز دارد.

آلیاژ آلومینیوم 7075-T6 15 درصد از هواپیماهای بوئینگ 787 را تشکیل می دهد. اسپارهای بال آن که از طریق جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) به هم متصل می شوند، به استحکام مفصلی دست می یابند که به 90 درصد مواد پایه می رسد، در حالی که این میزان برای سازه های پرچ شده سنتی تنها 70 درصد است.

2. صنعت خودرو

چرخ‌های آلیاژی منیزیمی (مانند AM60B) در مقایسه با چرخ‌های آلیاژی آلومینیومی 35 درصد وزن را کاهش می‌دهند، هرچند با هزینه دو برابری. فناوری قالب‌گیری تزریقی نیمه جامد (SSM) می‌تواند هزینه‌های تولید چرخ‌های آلیاژی منیزیم را تا 40% کاهش دهد.

Zinc alloy die-cast components hold an 80% market share in automotive door locks. The ZA8 alloy, after T5 heat treatment, achieves a hardness of 120 HB and exhibits three times the wear resistance of aluminium alloys. However, zinc alloys suffer from poor dimensional stability at elevated temperatures (>120 درجه)، کاربرد آنها را در اجزای موتور محدود می کند.

3. 3C Electronics

آلیاژهای منیزیم 65 درصد از سهم بازار را در قاب لپ‌تاپ به خود اختصاص داده‌اند. آلیاژ AZ91D به سختی سطحی 1200 HV پس از میکرو-اکسیداسیون قوس الکتریکی دست می یابد که از نظر مقاومت در برابر سایش از فولاد ضد زنگ پیشی می گیرد. آلیاژ آلومینیوم 6063 80 درصد از قاب‌های میانی گوشی‌های هوشمند را تشکیل می‌دهد که پردازش بافت را با دقت 0.1 میلی‌متر از طریق فناوری نانو چاپ امکان‌پذیر می‌سازد.

آلیاژهای تیتانیوم در لولاهای صفحه نمایش گوشی موبایل تاشو استفاده می شود. آلیاژ -نوع Ti-3Al-2.5V تحت چرخش سرد قرار می‌گیرد و مدول الاستیک آن را از 105 گیگا پاسکال به 120 گیگا پاسکال افزایش می‌دهد و نیاز برای 200000 چرخه تاشو را برآورده می‌کند.